智能型电动机控制器在电厂中的应用

摘要：传统的低压电动机保护是通过继电保护二次回路实现，随着电子技术的飞速发展，出现了一些对电路起全面保护的电动机控制器。根据电厂辅助控制设备的电机保护的特点及其控制要求，结合ARD3智能型电动机控制器在发电厂低压电动机保护控制中的应用，综合介绍ARD3智能型电动机控制器产品的特点及其智能化保护、测量、控制和通讯等，供工程设计中参考。

关键词：电动机保护、智能化、通讯

一、概述：

随着科学技术的进步，我国发电厂电机设备的使用量逐步增多，促使电动机的正常运转发挥成为了其他的设备能够正常运转的前提条件，因此能够合理选择和使用电动机控制器是对正常的工业现场生产工作负责的表现，只有在电动机正常发挥其功能的基础上，才能够保证整个行业的工作流程不会受到干扰，可以正常运行。在火力发电厂中，低压电动机的控制原理和应用情况在火力发电厂中一直是一项技术难题[1,2]。

在电厂电机设备的保护设计中，低压电动机的应用及保护配置可采用多种方案进行设计，对于过去采用热继电器、断路器（或熔断器）作为电动机过负荷保护、断相保护、短路保护和控制元件，由于受到通信功能不够灵活等多种条件的约束，已经无法满足日益发展的电厂设备自动化生产的要求，而新型智能电动机控制器可实现重载起动，实现对电动机的温度保护，还提供多种测控功能和多种电动机控制模式，能够满足对电动机的保护控制要求，有效地保障了电机的安全运行。本文以ARD3智能型电动机控制器在发电厂中的实际应用进行具体介绍。

二、电厂对电动机控制器的功能要求

在我国机电行业中，电动机是应用*为广泛的，发电总量中消耗在电动机上的电量就占了很大一部分，而各类风机、水泵、空压机又占电动机所耗电的一半以上。发电厂电动机的工作环境较恶劣，经常容易发生堵转、短路、断相或长期过载运行等故障[3]，所以控制器要能够对在恶劣环境中工作的电动机进行实时保护、控制，保证发电厂电动机的正常运行。

根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》（DL/T 5153-2002），低压厂用电动机应装设相间短路保护、单相接地保护（或者单相接地短路保护）、过负荷保护、低电压保护、断相保护[4]。因此，电厂项目需要电压、电流全电量参数测量，并且带通讯功能，控制器需要有自诊断输出、断电输出、故障记录等功能，总结为如下功能：

1、实现完善的电机保护功能

控制器通过采集三相交流电流、三相交流电压、剩余电流、PTC热电阻阻值、电动机电能等电量参数，以及电动机运行过程中的各种运动状态等信号，经控制器内部处理运算，从而实现对电动机起动超时、过载、阻塞、欠载、断相、三相电流不平衡、剩余电流（接地/漏电）、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、过功率、tE时间等全面综合保护，进而保证发电厂生产工作的安全连续运行[4]。

2、实现多种电动机控制方式

智能型电动机控制器通过程序控制，实现多种不同的电动机起动控制，采用控制器来实现的操作控制权限包括：1）RS-485通讯接口实现远程控制；2）能够通过显示模块上的按键进行操作控制；3）通过DCS系统控制DI端子实现远程自动控制；4）DI端子现场就地控制。

3、实现现场实时监测电动机运行

电厂通过控制器能够实时观察现场电动机设备在运行过程中的电压、电流、频率等参数以及电动机当前的运行状况，操作显示模块上的按键设置电厂电动机设备的起动方式（可选择手步启动、两步启动、双速启动和保护方式）。

4、实现通讯功能

控制器可通过RS-485通讯接口，经过Modbus-RTU或Profibus-DP通讯协议与上位机管理系统进行通讯连接，将信息在*短时间内发送给后台管理系统并对故障信息发出报警信号，使操作人员能够第一时间发现故障原因并及时排除故障，实现电厂电动机设备的数据的实时传输功能。

ARD3智能型电动机控制器采用模块化的产品结构形式，包括主体控制模块、互感器模块和显示模块，并可根据工业现场的实际应用选配ARD3智能型电动机控制器的其他功能模块和附件。通过采用ARD3智能型电动机控制器安装在低压开关柜，与转换开关、接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，实现了远程自动控制、现场直接控制、液晶界面参数指示、信号报警、现场总线通信等功能，提高了整个控制回路的可靠性和稳定性的同时降低了操作人员现场调试和维护工作量。通过选配抗晃电模块来实现电路的抗晃电和自起动，当ARD3智能型电动机控制器辅助电源断电时，可以向控制器持续供电10s，同时，选配AC380V电源模块，用于控制器使用AC380V作为辅助电源的场所。

三、 ARD3智能型电动机控制器在发电厂低压电动机保护中的应用

随着电厂DCS系统的大规模推广应用，实现工业现场电动机的远程实时集中监控已经成为实现工业自动化控制的关键点之一，图1为ARD3智能型电动机控制器在电厂应用中的现场总线布局。ARD3智能型电动机控制器为用户提供RS485（Modbus-RTU/Profibus-DP）通讯接口，可以采集工业现场的电动机的三相交流电压、零序电流、热电阻值、电动机电能以及状态监控信息，并汇集到现场总线，操作人员可通过上位机实时监控工业现场的运行情况，实现运行人员操作界面的DCS远程操控[5]。

图1 ARD3智能型电动机控制器的现场总线布局

如图2 ARD3智能型电动机控制器工程典型应用方案图中所示，电路通电后，控制器采集转换开关KK1信号，控制器通过读取控制权限端口（14，15）的信号值选择远程控制或者就地控制电机起动。如图2中接线所示，若控制器端口（15）采集到的信号为“1”，则远程控制电机起动；若控制器端口（15）采集到的信号为“0”，则就地控制电机起动。控制器采集现场三相交流电压、三相交流电流、零序电流、接触器工作状态、断路器工作状态以及DCS柜急停按钮SA等电器元件的信号，通过控制器处理电路后经CPU进行运算、处理后，按照实际生产要求的各种保护性能、测量参数、控制逻辑、数据传输等要求，控制现场90L液晶显示界面上电动机的运行状态以及电厂电机设备控制回路中的一些重要电力参数的显示值，以及控制开关量输出的工作状态，对电动机设备的起动方式以及运行过程进行控制保、护。控制器的模拟量输出口（35，36）输出4-20mA的模拟量信号，DCS系统读取模拟量信号后判断电机当前的运行状态。同时，作为电动机控制器个体设备，实现就地保护是其基本功能。ARD3智能型电动机控制器能够通过RS485通讯接口（25，26）将现场检测的参数实时反馈至上位机，方便现场维护人员对各个点设备的运行状况进行实时远程监测、控制。

图2 ARD3智能型电动机控制器工程典型应用方案图

四、电厂选用ARD3智能型电动机控制器产生的效果

对电动机的运行实施保护以及保证电动机能够连续不间断的运行对于生产是至关重要的，电厂选用ARD3智能型电动机控制器后带来的好处有：

1、组网灵活性高，便于控制

电厂中电动机控制器与配电产品的应用有着相同的比重，在实现组网的工作过程中，它们是密不可分的。ARD3智能型电动机控制器提供了RS-485通讯接口，并且实现多种协议的选择（Modbus-RTU/Profibus-DP），通过RS-485与上位机之间的通信，能够方便工程师通过计算机后台实现远程自动控制和在线监视设备的运行状况等。

2、实时显示参数，方便现场巡检

ARD3智能型电动机控制器是采用模块化的产品结构形式，将显示模块安装在DCS柜体，通过液晶界面即可实时观察当前电动机的运行状态，便于用户对现场电动机的维护和控制。

3、节能降耗

电动机控制器在节能降耗方面的作用开始为大家所重视，ARD3智能型电动机控制器可以在电动机设备处于欠载等运行状态时做自动停机，有效的避免了能源的浪费，为企业节省资金。

4、信息集中化

用户可通过通讯模块实现在后台实时监测系统中各个电动机的运行状况，随时观察设备的运行参数，如：电动机电流、电压、电动机运行状况、电动机电能等参数，通过分析采集到的信息，用户可以对各个设备的电动机运行情况进行实时处理，提高了整个控制系统的安全性、可靠性。

5、智能化自控保护

ARD3智能型电动机控制器使用灵活，报警和保护参数可以通过软件根据电厂电动机设备实际运行条件预设不同的值，避免因过度保护影响实际生产。用户在选用ARD3智能型电动机控制器后，一旦现场电动机出现故障，控制器及时控制电动机停止运行，并对各种故障信息作出相应的指示和记录，方便用户查询故障信息。在电网故障造成电压瞬间较大幅度的波动或者短时断电又恢复，带抗晃电功能时可使电动机控制器重新起动。

6、记录电机故障信息，便于现场问题分析

在发电厂工作的电动机设备大多数处于高温、潮湿、多尘埃的工况下，很容易出现故障，一旦发生故障，检修人员也很难第一时间发现故障原因，并且需要一定的时间、人力和物力才能分析故障原因。ARD3智能型电动机控制器有强大的故障和事件记录、运行管理信息为现场维护人员节省了大量的时间，提高了维修人员的工作效率，进一步提高了整个控制回路的性能。